그리드 저장 배터리 모듈의 전류·온도 불균형 메커니즘과 안전 설계 지표

초록

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본 연구는 대형 프리즘형 LFP 셀을 사용한 그리드 저장 배터리 모듈에서 병렬 연결 시 발생하는 전류·온도 불균형을 실험·시뮬레이션으로 정량화한다. 셀 저항·접촉 저항 변동이 온도 차이를 주도한다는 것을 확인하고, 안전한 셀‑간 변동 한계를 제시한다. 낮은 C‑rate와 제한된 SOC 범위가 불균형 완화에 효과적임을 보인다.

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상세 분석

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이 논문은 병렬 연결된 대형 LFP(리튬인산철) 셀 모듈에서 전류와 온도 불균형이 어떻게 발생하고, 어느 정도까지 허용 가능한지를 체계적으로 규명한다. 먼저, 셀‑간 저항 차이가 전류 분배에 직접적인 영향을 미치며, 전류가 높은 셀은 자체 발열로 저항이 감소해 다시 전류가 집중되는 양의 피드백 루프가 형성된다는 물리적 메커니즘을 제시한다. 이를 정량화하기 위해 저항‑용량‑SOC‑온도 4‑상태를 포함하는 비선형 상태‑공간 모델을 구축하고, Kirchhoff 제약을 해석적으로 풀어 각 셀의 분기 전류를 총 전류와 파라미터만으로 계산한다. 모델은 Arrhenius식으로 온도 의존성을 부여한 전하 전달 저항을 포함해 전기‑열 연계 효과를 정확히 재현한다.

실험적으로는 4셀 병렬 모듈을 구성해(1) 단일 셀 고저항 고장, (2) 다중 셀 고장 상황을 재현하였다. 고장 셀은 접촉 저항이 2배 이상 증가했으며, 이때 비고장 셀은 전류가 15 % 이상 감소하고, 온도 차이는 최대 6 °C에 달했다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 95 % 신뢰구간 내에서 일치했으며, 모델 파라미터(셀 내부 저항 RΩ, 접촉 저항 Rc, 열 저항 Rth 등)의 민감도 분석을 통해 온도 차이에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 Rc와 RΩ의 비율임을 확인했다. 특히 Rc/RΩ < 0.02(2 %) 조건을 만족해야 온도 차이가 3 °C 이하로 제한된다.

안전 임계값을 정의하기 위해 셀‑간 저항 변동(ΔR)과 온도 변동(ΔT)의 통계적 분포를 구하고, “ΔT ≤ 5 °C, ΔR ≤ 10 %”를 설계 기준으로 제시한다. 또한, 적용 분야별(피크 전력 저장, 장기 에너지 저장) C‑rate와 SOC 범위에 따른 임계값 변화를 분석했다. 낮은 C‑rate(≤ 0.5 C)와 좁은 SOC(20 %–80 %) 구간에서는 ΔT가 2 °C 이하로 억제돼 셀 수명 연장이 기대된다. 반대로 고 C‑rate(≥ 1 C)와 넓은 SOC 구간에서는 ΔT가 5 °C를 초과해 열폭주 위험이 커진다.

결론적으로, 병렬 연결된 대형 LFP 모듈에서 전류·온도 불균형은 주로 셀·접촉 저항 차이에서 기인하며, 설계 단계에서 접촉 저항을 2 % 이하로 관리하고, 운영 단계에서는 C‑rate와 SOC 범위를 제한함으로써 안전 마진을 확보할 수 있다. 이러한 정량적 지표는 BMS가 개별 전류·온도를 직접 측정하지 못하는 상황에서도 시스템 레벨 안전성을 보장하는 설계·운영 가이드라인으로 활용될 수 있다.

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